JP2017223756A - Optical element and optical system and optical instrument having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子に関し、特に曲面を任意に変形させる光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element, and more particularly to an optical element that arbitrarily deforms a curved surface.
従来、結像光学系では所望の焦点距離や収差を満たすために、多くの光学素子が使用されている。これらの光学素子は、例えば変倍や焦点合わせのために内部で駆動するものが多い。一般的にはこれらの光学素子はガラスからなっており、駆動したときには光学素子の位置を変化させることが多い。 Conventionally, many optical elements are used in an imaging optical system in order to satisfy a desired focal length and aberration. Many of these optical elements are driven internally for zooming or focusing, for example. In general, these optical elements are made of glass, and the position of the optical elements is often changed when driven.
一方、特許文献１には、光学素子表面が変形することにより特性を変化させることを特徴とする可変焦点レンズが開示されている。素子表面が自ら変形することにより、従来の素子の移動に必要な電磁モータを不要にできるため、光学系を小型化することができる。 On the other hand, Patent Document 1 discloses a variable focus lens characterized by changing characteristics by deforming the surface of an optical element. Since the surface of the element itself deforms, an electromagnetic motor necessary for the movement of the conventional element can be eliminated, and the optical system can be downsized.
また、非特許文献１には、素子表面が変形する素子において、表面の反射防止性能を付与するために光の波長よりも細かい構造を利用した微細構造層を形成することが開示されている。光の波長よりも細かい構造では、光はその構造を認識できずに一様な媒質と同じように振る舞うことが知られている。このような構造では低屈折率な膜と同様な振る舞いを示すため、反射防止機能を付与することができる。また、素子表面が変形する場合、反射防止として一般的な薄膜だと材料によっては膜割れ、シワが発生してしまう。そこで微細構造を利用すると、ひび割れの影響を無くして反射防止性能を付与することができると開示されている。 Further, Non-Patent Document 1 discloses that in an element whose element surface is deformed, a microstructure layer using a structure finer than the wavelength of light is formed in order to impart antireflection performance of the surface. In a structure finer than the wavelength of light, it is known that light behaves like a uniform medium without recognizing the structure. Such a structure exhibits the same behavior as a low-refractive-index film, and can therefore be provided with an antireflection function. In addition, when the element surface is deformed, if it is a general thin film for preventing reflection, film cracking and wrinkle may occur depending on the material. Therefore, it is disclosed that the use of the fine structure can eliminate the influence of cracks and provide antireflection performance.
しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、レンズ表面の反射防止機能に関して触れておらず、十分な光量を稼ぐことができない。また、上述の非特許文献１では微細構造の反射防止機能を利用しているが、レンズ表面が変形したときの微細構造のピッチの変化については触れていない。 However, the conventional technique disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 does not touch on the antireflection function of the lens surface and cannot obtain a sufficient amount of light. Further, although the above-mentioned Non-Patent Document 1 uses the antireflection function of the microstructure, it does not touch on the change in the pitch of the microstructure when the lens surface is deformed.
そこで、本発明の目的は、光学素子の表面の形状が変化する光学素子において、ピッチの変形を考慮した構造設計をすることで、より高い反射防止機能を有する光学素子を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical element having a higher antireflection function by designing a structure in consideration of pitch deformation in an optical element in which the shape of the surface of the optical element changes.
上記の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、
光学素子において、
該光学素子は光学面を少なくとも一面有しており、
かつ該光学面は電気信号などの刺激により曲率半径が２倍以上変化することを特徴とし、
かつ該光学面の表面には可視光の光よりも細かい構造からなる反射防止構造体が形成されていることを特徴とし、
かつ該微細構造のピッチは該光学面の変形に合わせて1.1倍以上変化し、かつ以下の条件式を満たすことを特徴とする。
ただしここでpmaxは該光学面の曲率半径の絶対値が最小となったときの該微細構造のピッチ、λは可視光の波長、naは構造体を形成する材料の屈折率とする。
In order to achieve the above object, an optical element according to the present invention includes:
In the optical element,
The optical element has at least one optical surface,
And the optical surface is characterized in that the radius of curvature changes more than twice by stimulation such as an electrical signal,
And the surface of the optical surface is characterized in that an antireflection structure composed of a structure finer than visible light is formed,
The pitch of the fine structure changes by 1.1 times or more according to the deformation of the optical surface and satisfies the following conditional expression.
Here, pmax is the pitch of the fine structure when the absolute value of the radius of curvature of the optical surface is minimized, λ is the wavelength of visible light, and na is the refractive index of the material forming the structure.
本発明によれば、高性能な反射防止性能を付与された光学素子を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical element provided with the high performance antireflection performance can be provided.
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は本発明の実施形態にかかわる光学素子の断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of an optical element according to an embodiment of the present invention.
図１において、１００は光学素子、１０１、１０２は光学面、１０３は光学面１０１の変化後の面である。光学素子１００は光学面１０１の形状が光学面１０１から光学面１０３と変化する。光学面１０１はパワーが弱く、曲率半径は大きい。また、光学面１０３はパワーは強く、曲率半径は小さい。このパワーの変化量は任意に設定でき、例えば焦点距離を２０ｍｍから１２０ｍｍに可変できるデバイスが市販されている(Opto tune社製: EL-10-30シリーズ)。 In FIG. 1, 100 is an optical element, 101 and 102 are optical surfaces, and 103 is a surface after the optical surface 101 is changed. In the optical element 100, the shape of the optical surface 101 changes from the optical surface 101 to the optical surface 103. The optical surface 101 has a weak power and a large radius of curvature. The optical surface 103 has a strong power and a small radius of curvature. The amount of change in the power can be set arbitrarily. For example, devices that can change the focal length from 20 mm to 120 mm are commercially available (manufactured by Optotune: EL-10-30 series).
本発明では光学面１０１に可視光の波長よりも細かい構造からなる微細構造層が形成されていることを特徴としている。入射する光の波長よりも細かい構造は、その光にとって構造そのものを認識できずに一様な媒質と同等な振る舞いを示すことが知られている。そのような微細構造の概略図を図２に示す。ここで、２０１は基板、２０２は反射防止構造体、２０３は反射防止構造体２０２の構造間のピッチ、２０４は反射防止構造体２０２の構造部である。 The present invention is characterized in that a fine structure layer having a structure finer than the wavelength of visible light is formed on the optical surface 101. It is known that a structure finer than the wavelength of incident light exhibits the same behavior as a uniform medium without being able to recognize the structure itself. A schematic diagram of such a microstructure is shown in FIG. Here, 201 is a substrate, 202 is an antireflection structure, 203 is a pitch between structures of the antireflection structure 202, and 204 is a structure portion of the antireflection structure 202.
構造体２０２は、その構造をなす材料の体積比に準じた特性を示す。図２の構成を例にとると、構造体２０２の等価屈折率neffは、式（１）と式（２）で求めることができる。 The structure 202 exhibits characteristics according to the volume ratio of the material forming the structure. Taking the configuration of FIG. 2 as an example, the equivalent refractive index n eff of the structure 202 can be obtained by Expressions (1) and (2).
ここでpは構造間のピッチ２０３、λは光の波長、ffは、｛（構造部２０４）／（構造間のピッチ２０３）｝で求められる構造充填率である。このffを適切に選択することで、等価屈折率neffは低屈折率を実現することができる。従来使用される薄膜材料で最も低屈折率な膜はフッ化マグネシウムであり、可視域でおよそ１．３８である。それ以上の低屈折率を実現できるため、より良好な反射防止性能を実現することができる。 Here, p is the pitch 203 between the structures, λ is the wavelength of light, and ff is the structure filling factor obtained by {(structure portion 204) / (pitch 203 between structures)}. By appropriately selecting this ff, the equivalent refractive index n eff can realize a low refractive index. The film having the lowest refractive index among the conventionally used thin film materials is magnesium fluoride, which is approximately 1.38 in the visible region. Since a lower refractive index than that can be realized, better antireflection performance can be realized.
本発明では、反射防止構造体２０２のピッチpは光学面１０１、１０３の変形に合わせて１．１倍以上変化することを特徴としている。光学面１０１、１０３の表面に形成される反射防止構造体２０２は、微細構造の数は変化しない。一方、光学面１０１、１０３の変化に伴い光学面同士の面積が変化する。そのため、その面積に準じて反射防止構造体２０２のピッチも変化すると考えられる。 The present invention is characterized in that the pitch p of the antireflection structure 202 changes by 1.1 times or more in accordance with the deformation of the optical surfaces 101 and 103. The antireflection structure 202 formed on the surfaces of the optical surfaces 101 and 103 does not change the number of fine structures. On the other hand, as the optical surfaces 101 and 103 change, the areas of the optical surfaces change. Therefore, it is considered that the pitch of the antireflection structure 202 changes according to the area.
また、（２）式から分かるように、ピッチpはneffに影響を与え、ピッチpが大きくなるとneffも大きくなる。光学面１０１、１０３に上方から光が入射する場合、ピッチpの変化に伴い光学面１０１、１０３への光の入射角が変化する。そのため、光学面１０１、１０３の変化に合わせて屈折率が変化することが望ましい。 Further, as can be seen from the equation (2), the pitch p affects neff, and the neff increases as the pitch p increases. When light is incident on the optical surfaces 101 and 103 from above, the incident angle of the light on the optical surfaces 101 and 103 changes as the pitch p changes. For this reason, it is desirable that the refractive index changes in accordance with changes in the optical surfaces 101 and 103.
本発明では、以下の（３）式を満たすことを特徴としている。 The present invention is characterized by satisfying the following expression (3).
ここでpmaxは光学面１０１の曲率半径の絶対値が最小となったときの反射防止構造体２０２のピッチpである。光学面１０１が曲率半径の絶対値が最小となったとき、光学面１０１の表面積は最大となる。そのため、微細構造のピッチpは最大となる。反射防止構造体２０２が一様な媒質として機能するためには、（３）式の条件を満たす必要がある。また、（２）式より、ピッチの変化の影響により屈折率を変化させるためには、pmaxが小さすぎないほうが好ましい。そのため、pmaxは（３）式を満たすことが好ましい。 Here, p max is the pitch p of the antireflection structure 202 when the absolute value of the radius of curvature of the optical surface 101 is minimized. When the absolute value of the radius of curvature of the optical surface 101 is minimized, the surface area of the optical surface 101 is maximized. Therefore, the fine structure pitch p is maximized. In order for the antireflection structure 202 to function as a uniform medium, the condition of the expression (3) needs to be satisfied. Further, from the formula (2), in order to change the refractive index due to the influence of the pitch change, it is preferable that p max is not too small. For this reason, p max preferably satisfies the expression (3).
また、本発明では電気信号などの刺激により光学面１０１の曲率半径が２倍以上変化することを特徴としている。光学面１０１の変化が乏しい場合、光学面１０１に入射する光の入射角の変化が小さくなる。そのため、反射防止構造体２０２の屈折率の変化は不要となる。 In addition, the present invention is characterized in that the radius of curvature of the optical surface 101 changes by a factor of two or more by stimulation such as an electrical signal. When the change of the optical surface 101 is poor, the change of the incident angle of the light incident on the optical surface 101 becomes small. Therefore, it is not necessary to change the refractive index of the antireflection structure 202.
また、本発明では反射防止構造体２０２のピッチｐだけでなく、構造充填率ffが変化していても良い。 In the present invention, not only the pitch p of the antireflection structure 202 but also the structure filling rate ff may be changed.
例えば光学素子１００の基材の表面の反射防止構造体２０２を基板２０１と同じ材料で形成した場合、基板２０１の表面積の変化に応じて微細構造も変化する。そのイメージ図を図４に示す。ここで４０１、４１１は基板、４０２、４１２は反射防止構造体、４０３は反射防止構造体４０２の構造間のピッチ、４１３は反射防止構造体４１２のピッチ、４０４は反射防止構造体４０２の構造部、４１４は反射防止構造体４１２の構造部である。同じ材料から形成された場合、基板４１１の延伸に伴い、反射防止構造体４０２も延伸する。これは、同じ材料から構成されるために靭性が等しく、同じ力が加わった場合に同じ比率で延伸するためである。そのため、反射防止構造体４０２のffとなる｛（構造部４０４）／（構造間のピッチ４０３）｝と反射防止構造体４１２のffとなる｛（構造部４１４）／（構造間のピッチ４１３）｝は等しい値になる。 For example, when the antireflection structure 202 on the surface of the base material of the optical element 100 is formed of the same material as the substrate 201, the fine structure also changes according to the change in the surface area of the substrate 201. The image is shown in FIG. Here, 401, 411 are substrates, 402, 412 are antireflection structures, 403 is a pitch between structures of the antireflection structures 402, 413 is a pitch of the antireflection structures 412, and 404 is a structure part of the antireflection structures 402. Reference numeral 414 denotes a structure portion of the antireflection structure 412. When formed from the same material, the antireflection structure 402 is stretched as the substrate 411 is stretched. This is because the toughness is equal because they are made of the same material, and when the same force is applied, they are stretched at the same ratio. Therefore, {(structure portion 404) / (pitch 403 between structures) which becomes ff of the antireflection structure 402 and {(structure portion 414) / (pitch 413 between structures) which becomes ff of the antireflection structure 412. } Has the same value.
一方、反射防止構造体２０２を基板２０１と異なる材料で形成した場合、基板２０１の表面積の変化に応じて微細構造の変化は異なる。そのイメージ図を図５に示す。ここで５０１、５１１は基板、５０２、５１２は反射防止構造体、５０３は反射防止構造体５０２の構造間のピッチ、５１３は反射防止構造体５１２のピッチ、５０４は反射防止構造体５０２の構造部、５１４は反射防止構造体５１２の構造部である。このとき、反射防止構造体５０２は基板５０１の表面積の変化に伴い、変形しない場合を表している。異なる材料で構成される場合、靭性が異なる。よって、同じ力が加わってもピッチ５０３と微細構造５０４の変化量は異なってしまう。そのため、そのため、反射防止構造体５０２のffとなる｛（構造部５０４）／（構造間のピッチ５０３）｝と反射防止構造体５１２のffとなる｛（構造部５１４）／（構造間のピッチ５１３）｝は異なる値となる。 On the other hand, when the antireflection structure 202 is formed of a material different from that of the substrate 201, the change in the fine structure differs depending on the change in the surface area of the substrate 201. The image is shown in FIG. Here, 501 and 511 are substrates, 502 and 512 are antireflection structures, 503 is a pitch between the structures of the antireflection structures 502, 513 is a pitch of the antireflection structures 512, and 504 is a structure portion of the antireflection structures 502. Reference numeral 514 denotes a structure portion of the antireflection structure 512. At this time, the antireflection structure 502 represents a case where the antireflection structure 502 is not deformed as the surface area of the substrate 501 changes. When composed of different materials, the toughness is different. Therefore, even if the same force is applied, the amount of change between the pitch 503 and the fine structure 504 is different. Therefore, {(structure part 504) / (pitch 503 between structures)} which becomes ff of the antireflection structure 502 and {(structure part 514) / (pitch between structures) which becomes ff of the antireflection structure 512. 513)} is a different value.
本発明は、基本的には基板５１１の屈折率と反射防止構造部５１２が所望の範囲を示していれば高性能な反射防止性能が期待できる。そのため、基板５１１と反射防止構造部５１２が異なる材料から形成されていてもよい。その場合、式（４）は基板５１１の曲率半径の絶対値が最小の際に満たしていることが望ましい。 In the present invention, basically, high-performance antireflection performance can be expected if the refractive index of the substrate 511 and the antireflection structure 512 show a desired range. Therefore, the substrate 511 and the antireflection structure portion 512 may be formed from different materials. In that case, it is desirable that the expression (4) is satisfied when the absolute value of the radius of curvature of the substrate 511 is minimum.
また、本発明では光学素子１００の反射防止構造体２０２の構造充填率ｆｆの変化量が１．０５倍未満の場合、以下の条件式を満たすことを特徴としている。 Further, the present invention is characterized in that the following conditional expression is satisfied when the amount of change in the structure filling factor ff of the antireflection structure 202 of the optical element 100 is less than 1.05 times.
ここでnsは光学素子１００の基板の屈折率、ffmaxは反射防止構造体２０２の最大のffである。基板nsをポリカーボネイト(屈折率1.58)として、式（４）の左辺に対するＳ偏光の最小反射率の計算値を図３に示す。ここで、最小反射率とは反射防止構造体２０２で各角度にて干渉する光の光路長差がλ／２となるときの反射率のことである。図３の紋様部分は、最小反射率が０．０１％以下となる領域である。図３を見ると、式（４）の左辺が１．５８付近で低入射角の反射率は０．０１％以下となる。また、入射角を大きくすると、この０．０１％以下の領域が低い値を示すようになる。このカーブを考慮すると、入射角が大きくなったとき、１．５８以下の領域では屈折率が高い方が反射率が低くなることが分かる。図３では説明のために０．０１％以下の領域のみを提示したが、反射率は式（４）の左辺、並びに入射角度に対して連続的に変化する。そのため、図３の紋様部分が最低となりかつそこに向かうにつれ反射率は低くなる傾向が有る。 Here, ns is the refractive index of the substrate of the optical element 100, and ff max is the maximum ff of the antireflection structure 202. FIG. 3 shows a calculated value of the minimum reflectance of S-polarized light with respect to the left side of the equation (4) where the substrate ns is polycarbonate (refractive index: 1.58). Here, the minimum reflectance is the reflectance when the optical path length difference of light that interferes at each angle in the antireflection structure 202 is λ / 2. The pattern portion in FIG. 3 is an area where the minimum reflectance is 0.01% or less. Referring to FIG. 3, when the left side of the equation (4) is near 1.58, the reflectance at a low incident angle is 0.01% or less. Further, when the incident angle is increased, this 0.01% or less region shows a low value. Considering this curve, it can be seen that when the incident angle is increased, the reflectance is lower when the refractive index is higher in the region of 1.58 or less. In FIG. 3, only the region of 0.01% or less is presented for explanation, but the reflectance continuously changes with respect to the left side of the equation (4) and the incident angle. For this reason, the pattern portion in FIG. 3 is minimum and the reflectance tends to decrease toward the pattern portion.
式（４）の左辺は反射防止構造体２０２のピッチpの関数となっている。ピッチpは光学面１０１の曲率半径が小さくなると、表面積の増大に合わせて大きくなる。また、曲率半径が小さくなると、光学面１０１に入射する光は入射角が大きくなる。そのため、ピッチpが大きくなる光学面１０１の条件では、光の入射角は大きくなる。そこで式（４）を満たすffを選択することで、図３に示すように入射角増大に合わせてピッチが増大し、その増大に合わせて最小反射率が低くなる膜構成を選択することができるようになる。 The left side of Expression (4) is a function of the pitch p of the antireflection structure 202. The pitch p increases as the surface area increases as the radius of curvature of the optical surface 101 decreases. In addition, when the radius of curvature decreases, the incident angle of light incident on the optical surface 101 increases. Therefore, under the condition of the optical surface 101 where the pitch p is large, the incident angle of light is large. Therefore, by selecting ff satisfying the expression (4), a film configuration can be selected in which the pitch increases as the incident angle increases and the minimum reflectance decreases as the angle increases as shown in FIG. It becomes like this.
また、本発明では光学素子１００の反射防止構造体２０２の構造充填率ffの変化量が１．０５倍以上の場合、以下の条件式を満たすことを特徴としている。 In the present invention, when the amount of change in the structure filling factor ff of the antireflection structure 202 of the optical element 100 is 1.05 times or more, the following conditional expression is satisfied.
（５）式を説明するために、反射防止構造体２０２のピッチ２０３と構造充填率ffに対するS偏光の０度反射率の推移を図６に示す。ここで基板２０１の屈折率はポリカーボネート(ns＝１．５８)とした。中心の網目模様部分は反射率が0.2%以下の部分であり、白黒と反転する毎に反射率が0.2%ずつ上昇する。これを見ると、網目模様よりffが大きい領域では、ピッチ２０３が増大する毎に反射率は増大する傾向にある。一方、ffが小さい領域ではピッチが増大する毎に反射率は減少する傾向にある。これは（４）式を表しており、（４）式の範囲が表す図６の網目模様よりffが低い領域になれば、曲率半径が小さくなるとピッチ２０３が大きくなり、ピッチ２０３が大きくなると反射率が低減するという様子が分かる。 In order to explain the equation (5), the transition of the 0-degree reflectance of S-polarized light with respect to the pitch 203 and the structure filling factor ff of the antireflection structure 202 is shown in FIG. Here, the refractive index of the substrate 201 is polycarbonate (ns = 1.58). The central mesh pattern is a portion having a reflectance of 0.2% or less, and the reflectance increases by 0.2% every time it is reversed to black and white. Looking at this, in the region where ff is larger than the mesh pattern, the reflectance tends to increase every time the pitch 203 increases. On the other hand, in the region where ff is small, the reflectance tends to decrease every time the pitch increases. This represents the equation (4). If the ff is lower than the mesh pattern of FIG. 6 represented by the range of the equation (4), the pitch 203 is increased when the radius of curvature is decreased, and the reflection is performed when the pitch 203 is increased. You can see how the rate decreases.
また、ピッチの変化とffの変化を見ると、ffの変化の方が特性への影響は大きい。（５）式の範囲が示す図６の網目模様よりffが高い領域になれば、曲率半径が小さくなるとffが小さくなり、ffが小さくなると煩瑣y率が低減するという様子が分かる。 Further, when looking at the change in pitch and the change in ff, the change in ff has a greater effect on the characteristics. If the ff is higher than the mesh pattern of FIG. 6 indicated by the range of the equation (5), it can be seen that ff decreases as the radius of curvature decreases, and that the troublesome rate decreases as ff decreases.
このように、式（５）の条件を満たすことで、光学面１０１の曲率半径が変化すると特性が変化する様子が分かる。 As described above, it can be seen that the characteristics change when the radius of curvature of the optical surface 101 changes by satisfying the condition of Expression (5).
反射防止構造体２０２を得るには、種々の方法が提案されている。例えばＥＢやフォトリソに代表されるパターニング技術によってマスクを形成し、表面を異方性エッチングによって削り出す方法、ナノインプリントによって表面に微細な構造を転写する方法、コーティングの自己成長等が挙げられる。本発明は可視光の波長よりも細かいピッチ２０３を持つ構造で有れば、それらの作製方法に限定されず使用可能である。 Various methods have been proposed to obtain the antireflection structure 202. For example, a method of forming a mask by a patterning technique typified by EB or photolithography and cutting the surface by anisotropic etching, a method of transferring a fine structure to the surface by nanoimprint, a self-growth of coating, and the like can be mentioned. As long as the present invention has a structure having a pitch 203 smaller than the wavelength of visible light, the present invention can be used without being limited to the manufacturing method thereof.
また、光学面１０１が変形する素子についても種々の手法が提案されている。高分子材料を力学的に可変する素子や液体レンズ、人工筋肉を応用したレンズなどが提案されている。本発明では、光学面１０１の曲率半径が２倍以上変化している光学素子ならば、それらの素子に限定されず使用可能である。 Various methods have also been proposed for elements that deform the optical surface 101. Devices that dynamically change polymer materials, liquid lenses, lenses using artificial muscles, and the like have been proposed. In the present invention, any optical element in which the radius of curvature of the optical surface 101 changes by a factor of two or more can be used without being limited to those elements.
以下に、詳細な数値例を提示して実施例を説明する。ただし、本発明はその要旨の範囲内で変形及び変更が可能であり、これらの実施形態には限定されない。なお、実施例１〜４の各パラメータを表１に、比較例１の各パラメータを表２に示す。 Examples will be described below by presenting detailed numerical examples. However, the present invention can be modified and changed within the scope of the gist thereof, and is not limited to these embodiments. The parameters of Examples 1 to 4 are shown in Table 1, and the parameters of Comparative Example 1 are shown in Table 2.
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の表面にをナノインプリントによって形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。基板２０１と反射防止構造体２０２の材料が等しいため、光学面１０１の変化に対してffは変化しなかった。ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図７となった。曲率半径の大小で反射率に差が出ている。光学素子１００の素子上方から平行光が入射した場合、素子の変形に合わせて反射率の変化が好ましい方向に変化している。 Polycarbonate was used for the substrate 201 to form a fine structure. The microstructure 203 was formed on the surface of the substrate 201 by nanoimprinting. The curvature radius of the optical surface 101 was deformed from 63.6 mm to 10.6 mm, and the optical surface 102 was a flat surface. The focal length of the optical element 100 varies from 20 mm to 120 mm. Since the materials of the substrate 201 and the antireflection structure 202 are the same, ff did not change with respect to the change of the optical surface 101. When ff was set to 0.18, the reflectivity at 60 degrees incident for each shape of the optical surface 101 was as shown in FIG. The reflectivity varies depending on the radius of curvature. When parallel light is incident from above the optical element 100, the reflectance changes in a preferable direction in accordance with the deformation of the element.
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の上に酸化マグネシウム（ｎ＝１．７２）を成膜し、リソグラフィ手法を用いて形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。基板２０１と反射防止構造体２０２の材料は異なるため、光学面１０１の変形に対してffはその比に準じて変化した。ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図８となった。曲率半径の大小で反射率に差が出ている。光学素子１００の素子上方から平行光が入射した場合、素子の変形に合わせて反射率の変化が好ましい方向に変化している。 Polycarbonate was used for the substrate 201 to form a fine structure. The microstructure 203 was formed using a lithographic technique by depositing magnesium oxide (n = 1.72) over the substrate 201. The curvature radius of the optical surface 101 was deformed from 63.6 mm to 10.6 mm, and the optical surface 102 was a flat surface. The focal length of the optical element 100 varies from 20 mm to 120 mm. Since the materials of the substrate 201 and the antireflection structure 202 are different, ff changed according to the ratio with respect to the deformation of the optical surface 101. When ff was set to 0.18, the reflectivity at 60 ° incidence for each shape of the optical surface 101 is shown in FIG. The reflectivity varies depending on the radius of curvature. When parallel light is incident from above the optical element 100, the reflectance changes in a preferable direction in accordance with the deformation of the element.
基板２０１にポリカーボネートを利用し、微細構造を形成した。微細構造２０３は基板２０１の表面にをナノインプリントによって形成した。光学面１０１の曲率半径は６３．６ｍｍから１０．６ｍｍまで変形し、光学面１０２は平面とした。光学素子１００の焦点距離は、２０ｍｍから１２０ｍｍまで変化する。反射防止構造体２０２のピッチ２０３とｆｆには変化は無かった。 Polycarbonate was used for the substrate 201 to form a fine structure. The microstructure 203 was formed on the surface of the substrate 201 by nanoimprinting. The curvature radius of the optical surface 101 was deformed from 63.6 mm to 10.6 mm, and the optical surface 102 was a flat surface. The focal length of the optical element 100 varies from 20 mm to 120 mm. There was no change in the pitches 203 and ff of the antireflection structure 202.
ffを０．１８としたところ、光学面１０１の形状毎の６０度入射の反射率は図９となった。光学面１０１の変化に合わせて、反射率は変化しない。光学面１０１の変化に伴って光の入射角は変化するため、このような光学素子の透過率には改善の余地がある。 When ff was set to 0.18, the reflectivity at 60 degrees incident for each shape of the optical surface 101 was as shown in FIG. As the optical surface 101 changes, the reflectance does not change. Since the incident angle of light changes as the optical surface 101 changes, there is room for improvement in the transmittance of such an optical element.
本発明の光学素子１００を利用した光学機器の例として、図１０に本実施例の表示装置を用いたデジタルカメラを示している。 As an example of an optical apparatus using the optical element 100 of the present invention, FIG. 10 shows a digital camera using the display device of this embodiment.
１０００はカメラ本体、１００１は本発明にかかる光学素子を利用した撮像光学系である。１００２はカメラ本体１０００に内蔵され、撮像光学系１００１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。１００３は固体撮像素子１００２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、１００４は表示装置である。 Reference numeral 1000 denotes a camera body, and 1001 denotes an imaging optical system using the optical element according to the present invention. Reference numeral 1002 denotes a solid-state imaging device (photoelectric conversion device) such as a CCD sensor or a CMOS sensor that receives a subject image formed by the imaging optical system 1001 and is built in the camera body 1000. Reference numeral 1003 denotes a memory that records information corresponding to a subject image photoelectrically converted by the solid-state imaging device 1002, and reference numeral 1004 denotes a display device.
撮像光学系１００１は、光学面１０１が変形するため小型化が可能となる。また、変形する光学面１０１に本発明の反射防止構造体２０２を形成することで、膜割れ、シワの発生を防ぐことができ、かつ光学面１０１の変形に合わせて高性能な透過率を得ることができる。 The imaging optical system 1001 can be miniaturized because the optical surface 101 is deformed. In addition, by forming the antireflection structure 202 of the present invention on the deformable optical surface 101, it is possible to prevent film breakage and wrinkles, and obtain high-performance transmittance according to the deformation of the optical surface 101. be able to.
そのため、本発明の光学素子１００を利用することで、取得光量が改善されたデジタルカメラ１０００を提供することができる。 Therefore, by using the optical element 100 of the present invention, it is possible to provide a digital camera 1000 with an improved acquisition light quantity.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
１００ 光学素子、１０１,１０２ 光学面、１０３ 光学面１０１の変化後の面、
２０１，４０１，４１１，５０１，５１１ 基板、
２０２，４０２，４１２，５０２，５１２ 反射防止構造体、
２０３，４０３，４１３，５０３，５１３ 構造間のピッチ、
２０４，４０４，４１４，５０４，５１４ 構造部、１０００ カメラ本体、
１００１ 撮像光学系、１００２ 固体撮像素子、１００３ メモリ、
１００４ 表示装置
100 optical element, 101, 102 optical surface, 103 surface after the change of the optical surface 101,
201, 401, 411, 501, 511 substrate,
202, 402, 412, 502, 512 Antireflection structure,
203,403,413,503,513 pitch between structures,
204, 404, 414, 504, 514 structure part, 1000 camera body,
1001 Imaging optical system, 1002 Solid-state imaging device, 1003 Memory,
1004 Display device
Claims (5)
該光学素子は光学面を少なくとも一面有しており、
かつ該光学面は電気信号の刺激により曲率半径が２倍以上変化することを特徴とし、
かつ該光学面の表面には可視光の光よりも細かい構造からなる反射防止構造体が形成されていることを特徴とし、
かつ該微細構造のピッチは該光学面の変形に合わせて1.1倍以上変化し、かつ以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでpmaxは該光学面の曲率半径の絶対値が最小となったときの該微細構造のピッチ、λは可視光の波長、naは構造体を形成する材料の屈折率とする。
The optical element has at least one optical surface,
And the optical surface is characterized in that the radius of curvature changes more than twice by stimulation of an electrical signal,
And the surface of the optical surface is characterized in that an antireflection structure composed of a structure finer than visible light is formed,
The pitch of the fine structure changes 1.1 times or more according to the deformation of the optical surface, and satisfies the following conditional expression. Here, pmax is the pitch of the fine structure when the absolute value of the radius of curvature of the optical surface is minimized, λ is the wavelength of visible light, and na is the refractive index of the material forming the structure.
前記光学素子の前記微細構造体の構造充填率ｆｆの変化が１．０５倍未満の場合、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでnsは前記光学素子の屈折率、ffmaxは微細構造体の最大の構造充填率とする。
When the change in the structure filling factor ff of the microstructure of the optical element is less than 1.05 times,
An optical element satisfying the following conditional expression: Here, ns is the refractive index of the optical element, and ffmax is the maximum structure filling rate of the fine structure.
前記光学素子の前記微細構造体の構造充填率ｆｆの変化が１．０５倍以上の場合、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。ただしここでnsは前記光学素子の屈折率、ffmaxは微細構造体の最大の構造充填率とする。
When the change in the structure filling factor ff of the microstructure of the optical element is 1.05 times or more,
An optical element satisfying the following conditional expression: Here, ns is the refractive index of the optical element, and ffmax is the maximum structure filling rate of the fine structure.
前記光学素子と前記微細構造の材料が異なることを特徴とする光学素子。 In the optical element according to any one of claims 1 to 3,
An optical element characterized in that the optical element and the microstructure material are different.
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